徐立軍 劉福祿 丁一清 李正勇 謝躍東

(1. 北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院, 北京 100083; 2. 北京航空航天大學(xué) 沈元學(xué)院, 北京 100083;3. 上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所, 上海 200000)

管道作為石油、天然氣、燃?xì)獾纫后w和氣體的主要輸送方式,在人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中承載著關(guān)鍵性工作,其服役狀態(tài)直接影響著能源運(yùn)輸和生產(chǎn)生活的安全、穩(wěn)定。 隨著服役時(shí)間的增加,在役管道不可避免地會(huì)出現(xiàn)裂紋、腐蝕等缺陷,嚴(yán)重的缺陷會(huì)直接導(dǎo)致管道泄露等事故,進(jìn)而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。 管道剩余壁厚的及時(shí)檢測(cè)可以避免因腐蝕造成管道泄漏事故,同時(shí)管道剩余壁厚是管道可靠性的重要指標(biāo)之一。

在實(shí)際的管道檢測(cè)過程中,管道的腐蝕多發(fā)生在外表面,且具有腐蝕殘留、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。 電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)具有非接觸、無需耦合劑、對(duì)被檢測(cè)表面光潔度無嚴(yán)格要求并能夠產(chǎn)生多種聲波模態(tài)等特性,適合用于管道剩余壁厚的在線檢測(cè)。電磁超聲相較于壓電超聲測(cè)厚具有更好的環(huán)境適用性,無需對(duì)被測(cè)管道進(jìn)行表面清潔處理,避免因高低溫等惡劣情況造成耦合劑失效導(dǎo)致壓電超聲無法使用,同時(shí)電磁超聲移動(dòng)更加靈活。 EMAT測(cè)厚是利用洛倫茲力機(jī)制、磁致伸縮機(jī)制和磁化力機(jī)制在被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部激發(fā)并接收超聲波信號(hào),根據(jù)聲波波速和傳播時(shí)間計(jì)算出被檢測(cè)部件的厚度。 電磁超聲系統(tǒng)中換能器線圈和磁鐵的形狀、大小與位置設(shè)置靈活,可以激發(fā)多種類型的超聲波,但由于在金屬管道中橫波的波速約為縱波的一半,且波模態(tài)穩(wěn)定,成為最適合作為回波法測(cè)量剩余厚度的聲波類型。 利用電磁超聲測(cè)厚,國內(nèi)外研究人員開展了很多研究工作。 Asano 和Yoshida[1]應(yīng)用電磁超聲共振技術(shù),設(shè)計(jì)了一種測(cè)量鋼板表面氧化膜厚度的電磁超聲換能器;Hobbis和Aruleswaran[2]使用英國華威大學(xué)開發(fā)的寬帶EMAT 系統(tǒng)對(duì)厚度范圍在0.28 ～2.8 mm 之間的鋁合金樣品進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)量,實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于等于0. 08 μm;Parra-Raad 等[3]設(shè)計(jì)了一款新型EMAT 結(jié)構(gòu),通過2 個(gè)彼此正交的線圈在金屬材料中激發(fā)出2 個(gè)正交極化的剪切波,這使EMAT 同時(shí)進(jìn)行厚度測(cè)量和裂紋檢測(cè)成為了可能。 國內(nèi)許多高校均開展了電磁超聲測(cè)厚方面的研究,哈爾濱工程大學(xué)的王相豪[4]研制了快速精確測(cè)量的EMAT 測(cè)厚系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼塊的厚度測(cè)量,測(cè)量精度為0.5 mm;浙江大學(xué)的唐志峰等[5]設(shè)計(jì)了一款具有定點(diǎn)超聲測(cè)厚功能的復(fù)合式電磁超聲設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了鋼管測(cè)厚誤差小于0.1 mm;哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孫崢等[6]研制了一種用于管道內(nèi)檢測(cè)的EMAT 在線測(cè)厚裝置,實(shí)現(xiàn)了8 ～35 mm 范圍內(nèi)的在役管道厚度測(cè)量。 目前,針對(duì)管道電磁超聲測(cè)厚裝置和聲波在管道壁內(nèi)聲束輻射的研究較少。

本文主要研究基于電磁超聲橫波模態(tài)的管道壁厚測(cè)量方法及其換能器激勵(lì)線圈優(yōu)化設(shè)計(jì),并利用自研的電磁超聲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁制管道剩余厚度的精確測(cè)量。 利用有限元模擬仿真的方法分析了螺旋線圈參數(shù)對(duì)橫波在鋁制管道傳播的影響,以回波信號(hào)信噪比為主要參考因素制作電磁超聲換能器。 根據(jù)管道壁內(nèi)橫波聲束輻射指向性驗(yàn)證了系統(tǒng)可行性,實(shí)現(xiàn)了鋁制管道剩余壁厚誤差小于0.2%的精確測(cè)量。

1 電磁超聲橫波測(cè)厚原理

EMAT 一般由永磁體和激勵(lì)線圈組成。 永磁體提供偏置磁場(chǎng),激勵(lì)線圈搭載高頻電流從而在試件表面激發(fā)高頻渦流場(chǎng)。 通過不同方向的偏置磁場(chǎng)和不同形狀的線圈組合,能夠產(chǎn)生體波、表面波、導(dǎo)波等不同類型的聲波[7]。 在試件厚度測(cè)量過程中,橫波在結(jié)構(gòu)件邊界處不存在模式轉(zhuǎn)換且波速較慢,因此成為廣泛采用的聲波類型。 典型的橫波電磁超聲換能器如圖1 所示,橫波電磁超聲換能器由永磁體和螺旋形激勵(lì)線圈組成。 永磁體產(chǎn)生方向垂直于試件表面的偏置磁場(chǎng),流過螺旋形激勵(lì)線圈的高頻電流在試件表面感應(yīng)出渦流場(chǎng),在垂直偏置磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生洛倫茲力,使得試件表面晶粒形變帶動(dòng)相鄰質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)成為超聲波波源。 電磁超聲的接收過程是電磁超聲激勵(lì)的逆過程。 對(duì)于非鐵磁性的鋁制材料,在垂直偏置磁場(chǎng)作用下的橫波電磁超聲主要是由洛倫茲力產(chǎn)生的,磁致伸縮力和磁性力可以忽略不計(jì)[8]。

圖1 典型的橫波電磁超聲換能器示意圖Fig.1 Schematic diagram of a typical shear wave electromagnetic acoustic transducer

電磁超聲的換能過程涉及到靜態(tài)磁場(chǎng)、脈沖渦流場(chǎng)和固體力學(xué)場(chǎng)等多種物理場(chǎng)的耦合。 永磁體產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)為靜態(tài)磁場(chǎng),沒有電流的產(chǎn)生,即J=0,為

式中:EE為渦流的電場(chǎng)強(qiáng)度。

同時(shí),激勵(lì)線圈中高頻電流在試件表面感應(yīng)出渦流密度JE為

式中:σm為被測(cè)試件的電導(dǎo)率。

在偏置磁場(chǎng)和激勵(lì)線圈作用下,被測(cè)試件中產(chǎn)生的洛倫茲力FL為

在非鐵磁性的鋁材料中,洛倫茲力FL是由靜態(tài)磁場(chǎng)B和被測(cè)試件內(nèi)部渦流感生的交變磁場(chǎng)Bj,m共同作用產(chǎn)生的。 電磁超聲接收過程是其產(chǎn)生的逆過程:聲波在傳播過程中遇到聲阻抗不同的地方會(huì)發(fā)生反射,當(dāng)聲波經(jīng)過反射再次回到試件上表面時(shí),試件中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)在外部靜磁場(chǎng)作用下會(huì)形成動(dòng)態(tài)電流[9]。 回波渦流密度為

式中:J′E為試件中渦流密度;ν為與磁場(chǎng)B相互作用的粒子速度。

動(dòng)態(tài)電流在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng),該磁場(chǎng)被換能器中螺旋線圈接收,產(chǎn)生電壓回波信號(hào)。橫波電磁超聲通過測(cè)量超聲始波和回波或2 次回波之間的時(shí)間差確定試件的厚度。 回波傳播路程為試件厚度的2 倍,因此試件厚度h為

式中:νm為試件中聲速;Δt為回波時(shí)間間隔。

2 換能器優(yōu)化與測(cè)試

2.1 電磁超聲換能器的仿真與優(yōu)化

橫波電磁超聲測(cè)量管道剩余壁厚雖然具有精度高、非接觸、不易受測(cè)試環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn),但是其能量交換效率低下、接收信號(hào)微弱[10-11]等缺點(diǎn)不能忽視。 通過對(duì)超聲換能器參數(shù)優(yōu)化可以在一定程度上改善電磁超聲測(cè)量的不足,使之滿足剩余厚度測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)要求。 利用有限元仿真軟件對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行建模并利用正交化試驗(yàn)思想優(yōu)化仿真參數(shù)設(shè)計(jì)。 對(duì)換能器激勵(lì)線圈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化可以提高系統(tǒng)性能,提高橫波回波電壓信號(hào)的峰峰值和信噪比。 超聲換能器參數(shù)優(yōu)化中,國內(nèi)外的許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究得到改變線圈提離距離d對(duì)回波信號(hào)幅值的影響,即在系統(tǒng)可制作范圍內(nèi),應(yīng)盡量減小線圈提離距離[12-13];同時(shí),換能器中永磁體的尺寸與線圈的尺寸不存在嚴(yán)格固定比例關(guān)系,可以根據(jù)線圈做調(diào)整[9,14]。因此,本文系統(tǒng)換能器優(yōu)化過程中充分考慮工藝情況和應(yīng)用場(chǎng)景,將線圈參數(shù)中的提離距離、永磁體尺寸和永磁體與線圈的間距設(shè)為固定值,不予討論研究。 對(duì)于線圈中的其他參數(shù),如線圈匝數(shù)(cn)、線圈寬度(ω)和線圈間距(l)作為主要的優(yōu)化參數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)實(shí)參照和使用環(huán)境,將EMAT 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置如表1 所示。 其他參數(shù)根據(jù)實(shí)際制作情況分別設(shè)置:線圈提離高度為0.112 5 mm(PCB 印刷電路中阻焊層厚度為0.012 5 mm,絕緣膠帶厚度為0.1 mm);線圈厚度采用1 盎司銅箔的PCB印刷電路標(biāo)準(zhǔn)為0.035 mm(1 盎司=28.350 g);線圈與永磁體的距離為0.9 mm(PCB 印刷電路板材厚度為0.8 mm,絕緣膠帶厚度為0.1 mm);永磁體采用半徑為20 mm、高為20 mm 的圓柱形磁鐵,材料為NdFeB(N54)。

表1 電磁超聲換能器參數(shù)優(yōu)化范圍Table 1 Electromagnetic acoustic tranolucer parameter optimization range

有限元仿真的幾何模型如圖2 所示。 為節(jié)省計(jì)算資源,將完整鋁制管道截取90°,即周向四分之一管道作為檢測(cè)剩余厚度的模型,管道外直徑為200 mm,厚度為5 mm。

圖2 橫波電磁超聲有限元仿真模型Fig.2 Shear wave electromagnetic acoustic finite element simulation model

根據(jù)需要優(yōu)化的換能器參數(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)正交陣列(L9(34)),如表2 所示,利用有限元仿真軟件對(duì)正交測(cè)試陣列進(jìn)行仿真,并記錄仿真中回波電壓信號(hào)中的峰峰值和信噪比。 為了表征離散化的程度并評(píng)估各個(gè)因子對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響程度,需要對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行極差分析,其計(jì)算的過程為[15]

表2 橫波電磁超聲換能器參數(shù)正交測(cè)試陣列Table 2 Shear wave electromagnetic acoustic transducer parameter orthogonal test array

式中:yxi為含有參數(shù)因子x的第i次測(cè)試結(jié)果,x因子為需要優(yōu)化的參數(shù);m為參數(shù)因子x在水平N的測(cè)試次數(shù),N=1,2,3;n為測(cè)試總數(shù);KxN為該水平下參數(shù)因子x試驗(yàn)結(jié)果的平均水平;Rx為參數(shù)因子x對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度。

根據(jù)有限元法仿真結(jié)果得到平均值KxN和影響程度Rx的結(jié)果,如表3 所示。 可得到,對(duì)于回波電壓信號(hào)的峰峰值有Rcn＞Rl＞Rω,而對(duì)于信噪比存在Rω＞Rcn≈Rl。 隨著線圈匝數(shù)的增加回波信號(hào)峰峰值逐漸減小,信噪比下降;線圈寬度對(duì)峰峰值的影響可以忽略,但信噪比隨其增加而增加;線圈間距與線圈匝數(shù)對(duì)回波峰峰值及信噪比的影響情況相同。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Analysis of orthogonal experiment results

回波式橫波電磁超聲測(cè)厚系統(tǒng)中,螺旋形線圈接收到的回波電壓仿真結(jié)果如圖3 所示,電壓信號(hào)微弱,通常為幾十至幾百微伏量級(jí),對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)的接收是困難的。 同時(shí),在回波電壓信號(hào)中通常夾雜著反射縱波和其他波模態(tài)的干擾及電路噪聲的影響。

圖3 橫波電磁超聲回波電壓信號(hào)Fig.3 Shear wave electromagnetic acoustic echo voltage signal

測(cè)量系統(tǒng)要求回波電壓信號(hào)不僅具有較高的幅值還應(yīng)有足夠的信噪比來提高接收系統(tǒng)中反射橫波電壓信號(hào)的時(shí)間準(zhǔn)確性。 在仿真中可以看到回波電壓信號(hào)幅值較小,信噪比較低,為保證接收處理系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)的時(shí)間處理精度,優(yōu)先保證信噪比參數(shù)。 同時(shí)考慮到較少的線圈匝數(shù)會(huì)激勵(lì)出較少的渦流,造成電磁超聲信號(hào)能量微弱影響檢測(cè)性能。 在此基礎(chǔ)上考慮到被測(cè)管道為圓形與PCB 印刷電路板上的線圈不能完全貼合,針對(duì)此情況對(duì)超聲傳播過程中的聲束指向性進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖4 所示。

圖4 橫波在管道壁中聲束輻射圖Fig.4 Schematic of beam radiation of shear wave in pipe wall

以管道壁厚截面的中心弧線為參考,將橫波傳播中參考線處聲波能量做曲線,如圖5 所示。當(dāng)線寬較寬、線間距較大時(shí)雖然聲波能量較小,但聲波指向性更好、發(fā)散角小,能量更多集中在激勵(lì)線圈的中心路徑上,得到的回波電壓信號(hào)信噪比更高。 經(jīng)過以上仿真分析,最終決定使用線圈匝數(shù)為8,寬度為0.6 mm,間距為1.2 mm 的PCB 印刷電路板線圈,并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)制作,如圖6 所示。 通過有限元仿真看到使用的激勵(lì)線圈所產(chǎn)生的橫波在管道內(nèi)傳播路徑主要集中在中心位置,在其反射的過程中能量較為集中,與平板中傳播情況基本相同,可忽略管道弧形對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響,證實(shí)方案的可行性。 由管壁超聲的傳播路徑和指向性可以得到,該傳感器的管壁剩余厚度測(cè)量區(qū)域?yàn)閭鞲衅髦行膮^(qū)域覆蓋處的管道厚度。

圖5 橫波在管道壁中聲波指向性圖Fig.5 Energy distribution of shear wave in acoustic directivity of pipe wall

圖6 電磁超聲激勵(lì)用PCB 螺旋線線圈Fig.6 Spiral PCB coil for electromagnetic acoustic excitation

2.2 橫波電磁超聲測(cè)厚系統(tǒng)測(cè)試

橫波電磁超聲激勵(lì)信號(hào)一般采用具有一定占空比的正弦脈沖信號(hào),從信號(hào)處理角度來說,其實(shí)質(zhì)是加了零次冪的矩形窗的正弦調(diào)制信號(hào)。 添加不同窗函數(shù)調(diào)制下的激勵(lì)信號(hào)會(huì)對(duì)回波電壓信號(hào)的峰峰值和信噪比產(chǎn)生顯著影響。 因?yàn)椴煌恼{(diào)制窗函數(shù)會(huì)有不同的帶寬,所以應(yīng)盡量選擇窄帶脈沖激勵(lì)以實(shí)現(xiàn)最大化信噪比[16]。 測(cè)試系統(tǒng)采用的是與有限元仿真一樣的帶有海明窗調(diào)制的脈沖激勵(lì)正弦電流信號(hào)為

式中:信號(hào)頻率f為3.5 MHz;脈沖周期數(shù)n為5。換能器中線圈激勵(lì)信號(hào)如圖7 所示。

圖7 電磁超聲脈沖激勵(lì)信號(hào)Fig.7 Electromagnetic acoustic pulse excitation signal

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)采用自研的高功率脈沖激勵(lì)源和接收器,如圖8 所示,大功率激勵(lì)源與換能器中激勵(lì)線圈經(jīng)過阻抗匹配之后相連接,由于匹配不完美問題,實(shí)際測(cè)量中激勵(lì)線圈端激勵(lì)電壓峰峰值為726 V,流經(jīng)線圈的電流峰峰值為18.15 A,峰峰功率為13 kW。 將換能器放置在外徑為200 mm、壁厚為5 mm 的鋁制管道外表面,將永磁體放置在激勵(lì)和接收線圈之上,永磁體尺寸、材料及牌號(hào)與仿真設(shè)置完全一致。 換能器中,將與激勵(lì)線圈相同規(guī)格的接收線圈放置在激勵(lì)線圈上方,經(jīng)過阻抗匹配之后與接收端電路相連接,經(jīng)過限幅、濾波、60 dB 的放大和數(shù)據(jù)處理之后得到回波信號(hào)如圖9 所示。

圖8 管道剩余厚度測(cè)試系統(tǒng)Fig.8 Pipeline residual thickness test system

在處理完成后的回波電壓信號(hào)(見圖9)可以明顯看到管道剩余厚度的2 次回波電壓信號(hào),根據(jù)2 次回波電壓的時(shí)間間隔可以計(jì)算所測(cè)量的管道剩余厚度。 鋁材質(zhì)中的橫波傳播速度[17]為

圖9 橫波電磁超聲實(shí)際回波電壓信號(hào)Fig.9 Actual echo voltage signal of shear wave electromagnetic acoustic

式中:G為鋁材質(zhì)的剪切模量;ρ為鋁材質(zhì)密度;E為鋁材質(zhì)彈性模量;ν為鋁材質(zhì)泊松比。 對(duì)于鋁材質(zhì)而言,E=7.0 ×1010Pa,ρ=2 700 kg/m3,μ=0.33,故有νs=3.122 ×103m/s。

根據(jù)多次測(cè)量數(shù)據(jù)平均可得到2 次回波之間的時(shí)間間隔為3.24 μs,根據(jù)計(jì)算得出的橫波聲速可得到管道剩余厚度為5.057 mm,這與用電子游標(biāo)卡尺多次測(cè)量得到的厚度5. 05 mm 誤差為0.007 mm。 同時(shí)對(duì)標(biāo)稱外直徑為200 mm,壁厚為10 mm 的鋁制管道進(jìn)行同樣操作的壁厚檢測(cè),得到2 次回波之間的平均時(shí)間間隔為6.49 μs,計(jì)算管道壁厚為10.131 mm,與用電子游標(biāo)卡尺多次測(cè)量的厚度10.12 mm 誤差為0.011 mm。

2.3 結(jié)果分析

在測(cè)試系統(tǒng)中,由于線圈復(fù)阻抗測(cè)量誤差、阻抗匹配計(jì)算的數(shù)據(jù)截?cái)嗪推ヅ涓腥萜骷闹圃煺`差造成了阻抗匹配后的阻抗還存在感抗,進(jìn)而引起大功率激勵(lì)源輸出信號(hào)的拖尾現(xiàn)象。 同時(shí),超聲激勵(lì)時(shí)接收電路會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài),受限于系統(tǒng)中運(yùn)算放大器的過載恢復(fù)時(shí)間限制,會(huì)造成激勵(lì)過后存在約10 μs 恢復(fù)時(shí)間。 在此時(shí)間內(nèi)的回波信號(hào)淹沒在飽和輸出中,難以通過數(shù)據(jù)處理的手段分離和計(jì)算。

由于電子游標(biāo)卡尺的測(cè)量分辨率限制,因此在多次測(cè)量后只能精確到0.01 mm,在與橫波電磁超聲測(cè)量的厚度進(jìn)行誤差比較時(shí),存在數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)管道剩余厚度檢測(cè)的應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)了基于電磁超聲橫波的管道剩余厚度檢測(cè)系統(tǒng),主要結(jié)論如下:

1) 針對(duì)測(cè)量對(duì)象將系統(tǒng)中換能器線圈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并仿真橫波在管壁中聲束輻射指向性驗(yàn)證了換能器受弧形管壁影響較小,滿足厚度測(cè)量的可行性。

2) 針對(duì)換能器線圈匝數(shù)和線圈寬度分別為回波信號(hào)峰峰值和信噪比的最大影響因子,設(shè)計(jì)了滿足系統(tǒng)檢測(cè)需求的換能器并利用自研電磁超聲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了誤差小于0.2%的高精度管道剩余壁厚測(cè)量。